Использование партеногенеза для создания особей нужного пола.

Эти работы были проделаны нашими учеными Б.Л.Астауровым и В.А.Струнниковым. для получения коконов тутового шелкопряда. Известно, что мужские гусеницы «выдают» коконы с большим количеством шелка и следовательно их выгоднее разводить. Шелк очень нужен в оборонной промышленности, следовательно, в его производстве всегда заинтересованы.

У тутового шелкопряда самцы имеют набор ZZ хромосом, а самки – ZW хромосом. В случае амейотического партеногенеза все особи будут иметь набор ZW хромосом,т.е. все будут самками. Это невыгодно и надо использовать мейотический партеногенез для получения самцов. Кроме этого были разработаны ещё другие методы.

1. Мейотический партеногенез, стимулируемый холодовой обработкой.При этом получают разные наборы – ZZ-хромосомы и WW-хромосомы. Особи с первым вариантом будут самцами и выживут, а со вторым – погибнут

2. Андрогенез. Ядро яйца инактивируют кратковременным прогревом или облучением. Затем оплодотворяют. В некоторых случаях происходит сингамия мужских пронуклеусов, которые несут Z хромосому. При этом образуется диплоидное ядро с ZZ хромосомами.

3. Метод сбалансированных леталей. Была выведена особая порода тутового шелкопряда с летальными генами в разных участках в Zхромосомах. У самцов с генотипов ZZ действие каждой летали компенсируется нормальным геном в другой хромосоме. У самок такой компенсации быть не может и они погибают, а в промышленной популяции остаются только самцы.

Тема 4. Дробление

После объединения хромосомных наборов обоих пронуклеусов наступает собственно эмбриогенез. 1 этап развития в общих чертах сходен для всех многоклеточных. Это дробление зиготы. Мы рассмотрим следующие вопросы:

1. Общие характеристики дробления.

2. Морфология дробления.

3. Значение дробления для последующего развития – дробление и детерминация.

1. Общие характеристики дробления

Последовательные митотические деления зиготы не приводят к возрастанию суммарного объема зародыша, остающегося равным объёму зиготы, так как разделившиеся клетки не растут, т.е, в промежутке между делениями клеток масса их цитоплазмы не увеличивается. В результате суммарный объем и масса всех возникших клеток не превышает объема и массы яйцеклетки во время оплодотворения. Зародыш на стадии дробления не растет.

После каждого деления количество ДНК в ядре удваивается как и при обычном митозе, так что все клетки сохраняют диплоидный набор, а количество цитоплазмы не меняется. Из-за отсутствия роста клеток после деления яйцеклетка как-бы дробится на все более мелкие клетки. Поэтому этот период и называется дроблением. Клетки в это время называются бластомерами, а разделяющие их плоскости – бороздами дробления. Таким образом дробление – это многократное митотическое деление зиготы, в результате которых зародыш становится многоклеточным, почти не меняя своего объема. При этом увеличиваются ядерноплазменные отношения (Я/П), что очень важно для нормальной жизнедеятельности клетки. Для нормальной жизнедеятельности обычной соматической клетки существует определенное ядерно-плазменное отношение. В ходе большого роста ооцита это отношение резко падает. В период дробления ядерно-плазменное отношение восстанавливается таким, каким оно было до периода большого роста. Таким образом, количество ДНК возрастает, а количество цитоплазмы не меняется, т.е. после каждого деления поднимается величина ядерно-плазменного отношения. Основное назначение дробления – поднять эту величину. Я/П возрастает. Если это соотношение ниже определенного уровня, то клетка не может быть физиологически активной. Во время оогенеза Я/П резко падает, особенно в период большого роста. Так ооцит до начала большого роста имеет Я-П у веслоногих рачков (copepoda) 1:15, а в зрелом яйце 1:1260. У морского ежа – 1:6, и 1:500, соответственно. При дроблении этот показатель возвращается к норме. Для этого у морского ежа должно пройти 6-7 делений (2⁶,2⁷), чтобы увеличить Я-П отношение в 90 раз.Для яйц амфибий надо 10-12 делений.

Деления дробления характеризуются определенными свойствами.

Особые черты несет клеточный цикл. При дроблении нет периода G-1. Из митоза клетка переходит в S-фазу. Синтез ДНК идет быстро, в течение несколькох минут (у амфибий), что сопоставимо с репликацией генома у бактериофага. Фактически все бластомеры находятся в тетраплоидном состоянии, так как после митоза у них сразу же начинается удвоение хроматина.(Схема клеточного цикла).

С этим свойством связано и наличие у большинства животных

синхронных делений, хотя есть исключения. При этом клеточные циклы короткие, так как фактически выпадает G-1период, который у обычных клеток составляет большую часть их клеточного цикла. Синтез ДНК начинается уже в телофазе предыдущего цикла. S-фаза, G-2 период и сам митоз протекают очень быстро.

Такая высокая скорость и синхронность дробления объясняется следующим:

1. в яйцеклетках заранее запасены предшественники ДНК – высокий пул пиримидиновых и пуриновых оснований, а также ядерные белки (гистоны) и мРНК, т.е. всё то, что было «наработано» в оогенезе.

2. Редупликация ДНК начинается одновременно во всех репликонах (т.е. в автономно реплицирующихся участках), тогда как как в обычных клетках различные репликоны удваиваются разновременно. Главные синтетические процессы в синхронно делящихся бластомерах - синтез ДНК и гистонов.

Кроме того в бластомерах на матрицах РНК синтезируются белки, которые идут на образование новых мембран, клеточных перегородок. Этот синтез начинается в момент оплодотворения. Уже при 1ом делении надо сделать 40% от существующих мембран. Другие синтетические процессы в бластомерах выражены слабо и их собственные гены неактивны.

Дробление является результатом двух координированных процессов. Первый из них – кариокинез (митотическое деление ядра). Механическим аппаратом этого деления является митотическое веретено с его микротрубочками, состоящего из тубулина (белка того же типа, что и белок, образующий жгутик спермия). Второй процесс - цитотомия или деление клетки. Механическим аппаратом цитогенеза является сократимое кольцо микрофиламентов, состоящие из актина (белка того же типа, что и белки, осуществляющие удлинение микроворсинок и акросомного выроста спермия). Рассмотрим яйцо морского ежа на стадии 1го деления лробления. Митотическое веретено и сократимое кольцо расположены перпендикулярно друг к другу и веретено находится внутри сократимого кольца. Борозда дробления в дальнейшем разделяет плоскость митоза, создавая при этом два генетически равноценных бластомера.

Микрофиламенты актина располагаются в основном в кортикальном слое яйца. Они образуют кольцо толщиной 0.1мкм. Это кольцо есть только во время деления и постепенно сокращается, как бы перетягивая зиготу пополам «наподобие ремешку, перетягивающему кошелёк» ( Schroeder,1973). Если разрушить это кольцо, то цитотомии не будет.

Обычно кариокинез и цитокинез скоординированы между собой, и создается впечатление, что они причинно связаны. Однако это не так. Можно удалить ядро из яйц морского ежа и они все равно будут делиться вплоть до образования «псевдобластулы». Точно также кариокинез может происходить в отсутствие цитокинеза. Это можно продемонстрировать в опытах с цитохалазином В, веществом, разрушающим актиновые филаменты сократимого кольца. В этом случае будут делиться ядра, а цитоплазма – нет.

Каким образом достигается координация этих двух процессов, до конца неясно. Известно, что борозда дробления определяется положением звезд митотического веретена. Дробление протекает нормально, если в яйце имеется две звезды. Если экспериментально уничтожить звёзды, то при наличии ядер и сократительных филаментов деления не будет.

Если путем сдавливания яйца отогнать веретено к одному из полюсов, то мембрана будет формироваться посредине веретена.Возникнут бластомеры разной величины.

Следует сказать, что ход дробления определяется только геномом матери. В цитоплазме яйцеклетки находятся факторы, регулирующие этот процесс. Запускается он оплодотворением, но дальше все синтезы всех необходимых веществ и структур идут на основе матриц, наработанных в ходе оогенеза. Отцовский геном не проявляет себя во время дробления. Даже если он несет летальный ген, при дроблении он не проявится.

В позднем периоде дробления появляется G1 период, удлиняется продолжительность всех фаз клеточного цикла, начинается работа собственного генома,т.е, транскрипционная активность зародыша, который «берет судьбу в свои собственные руки»(Дэвидсон) и перестает быть генетической копией своей матери.

Период асинхронных делений дробления иногда называют периодом бластуляции, но это не совсем правильно.